bj
    >> Φυσικές Επιστήμες >  >> Χημική ουσία

Νίτρωση και σουλφονίωση


Η νίτρωση και η σουλφονίωση είναι και οι δύο τύποι αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης. Σε σύγκριση με τις αντιδράσεις προσθήκης, το βενζόλιο είναι πιο ευαίσθητο σε αλληλεπιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης επειδή αποβάλλει την αρωματικότητά του κατά τη διαδικασία προσθήκης. Τα ηλεκτρόφιλα έλκονται από το βενζόλιο, καθώς έχει μετατοπισμένα ηλεκτρόνια που εκτείνονται στα άτομα άνθρακα του δακτυλίου. Είναι επίσης εξαιρετικά σταθερό σε ηλεκτρόφιλες αντικαταστάσεις.

Ηλεκτρόφιλες αρωματικές υποκαταστάσεις περιλαμβάνουν νίτρωση και σουλφόνωση του βενζολίου. Τα ηλεκτρόφιλα είναι τα ιόντα νιτρονίου (NO2+) και το τριοξείδιο του θείου (SO3), τα οποία συνδυάζονται με το βενζόλιο για να παράγουν νιτροβενζόλιο και βενζολοσουλφονικό οξύ, αντίστοιχα. Η διαδικασία ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης του βενζολίου φαίνεται να είναι μια διαδικασία τριών σταδίων που ξεκινά με την παραγωγή του ηλεκτρόφιλου. Ένα πρωτόνιο αφαιρείται από ένα ενδιάμεσο καρβοκατιόν.

Ο Michael Faraday ανακάλυψε το βενζόλιο το 1825 και το βενζόλιο είναι ένα άχρωμο υγρό. Το οργανικό μόριο είναι εξαιρετικά ακόρεστο, όπως φαίνεται από τον χημικό τύπο. Είναι πολύ αντιδραστικό λόγω του υψηλού βαθμού ακόρεστου. Δεν εμπλέκεται ποτέ σε διαδικασίες πρόσθεσης, οξείδωσης ή αναγωγής, σε αντίθεση με τα αλκένια.

Νίτρωση

Εκτός από τους αρωματικούς δακτυλίους, οι λειτουργικές ομάδες νιτροποίησης παράγουν άλλες αρκετά εκρηκτικές ενώσεις. Για παράδειγμα, η νιτρογλυκερίνη παράγεται με νίτρωση της τριόλης γλυκερόλης, η οποία έχει τρεις καλές ομάδες απελευθέρωσης (ΟΝΟ2, ακριβώς, είναι ομάδες «νιτρικών», όχι νιτρικές ομάδες). Η παραμικρή διαταραχή σε αυτό το υγρό προκαλεί μια αλυσιδωτή αντίδραση που παράγει γρήγορα μεγάλη ποσότητα θερμού αερίου. 6 moles αζώτου, 12 mole άνθρακα, 10 mole καθαρού νερού και 7 mole αερίου οξυγόνου παράγονται από 4 moles υγρής νιτρογλυκερίνης.

Επιπλέον, η νίτρωση στην κυτταρίνη (το πολυμερές της γλυκόζης σακχάρου) δημιουργεί «νιτροκυτταρίνη», το οποίο είναι ένα πολυμερές που χρησιμοποιήθηκε για απόθεμα φιλμ στις αρχικές περιόδους της βιομηχανίας ταινιών, εκτός από το ότι χρησιμοποιείται σε σκόνη χωρίς καπνό. Αν και το «Celluloid», όπως ήταν γνωστό, δεν είναι άμεσο εκρηκτικό, έχει το τρομερό χαρακτηριστικό της αυθόρμητης καύσης.

Νίτρωση βενζολίου

Παρουσία θειικού οξέος, το βενζόλιο συνδυάζεται με πυκνό νιτρικό οξύ για να δημιουργήσει νιτροβενζόλιο στους 323-333 Κ. Ένα ιόν νιτρονίου σχηματίζεται όταν το θειικό οξύ πρωτονιώνει το νιτρικό οξύ, με αποτέλεσμα την απώλεια ενός μορίου νερού και την παραγωγή ενός ιόντος νιτρονίου.

Το νιτρικό οξύ απορροφά ένα πρωτόνιο μέσω θειικού οξέος προτού διασπαστεί για να δημιουργήσει το ιόν νιτρονίου. Στη διαδικασία, το ιόν νιτρονίου λειτουργεί ως ηλεκτρόφιλο, αντιδρώντας με το βενζόλιο για να δημιουργήσει το ιόν αρενίου. Το πρωτόνιο του ιόντος του αρενίου χάνεται στη συνέχεια στη βάση Lewis, με αποτέλεσμα το σχηματισμό νιτροβενζολίου.

Η νίτρωση του βενζολίου αποδίδει αρκετά σταθερές νιτροενώσεις που είναι πολύ πιο δύσκολο να εκραγούν από τη νίτρωση των αλκοολών. Η τριπλή νίτρωση του τολουολίου, για παράδειγμα, παράγει τον υψηλής έκρηξης TNT (2,4,6-τρινιτροτολουόλιο). Το RDX παράγεται από τη νίτρωση της τριυδρικής-1,3,5-τριαζίνης, ενός άλλου εκρηκτικού.

Η πρωτονίωση του ΟΗ σε νιτρικό οξύ, που το μετατρέπει σε Η2Ο, είναι απαραίτητη για τη διαδικασία. Επειδή το H2O είναι πολύ ισχυρότερος αποδέκτης από το HO-, απομακρύνεται γρήγορα από το νιτρικό οξύ, με αποτέλεσμα το εξαιρετικά αντιδραστικό «ιόν νιτρονίου», NO2+.

Εφαρμογές νιτροποίησης

Το άζωτο προστίθεται προς έναν βενζολικό δακτύλιο με νίτρωση, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σε διαδικασίες υποκατάστασης. Η ομάδα νίτρο απενεργοποιεί τον δακτύλιο. Η παρουσία αζώτου σε έναν δακτύλιο είναι πλεονεκτική αφού μπορεί να χρησιμεύσει και ως κατευθυντική και ως κρυφή αμινομάδα. Στη βιομηχανική χημεία, τα αρωματικά προϊόντα νίτρωσης είναι ιδιαίτερα σημαντικά ενδιάμεσα. Το νιτροβενζόλιο χρησιμοποιείται συνήθως για την παραγωγή ανιλίνης, μιας χημικής ουσίας. Χρησιμοποιείται στη λίπανση λιπαντικών για κινητήρες και μηχανήματα. Χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή χρωμάτων, φαρμακευτικών προϊόντων, εντομοκτόνων και συνθετικού καουτσούκ.

Σουλφονίωση

Ηλεκτρόφιλη αρωματική υποκατάσταση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή της σουλφονυλικής ομάδας, SO3H, σε έναν αρωματικό δακτύλιο. Το ηλεκτρόφιλο αντιδραστήριο σε αυτό το παράδειγμα είναι το τριοξείδιο του θείου, SO3 (ένα αέριο), το οποίο μπορεί να εισαχθεί στον διαλύτη με φυσαλίδες. Το SO3 δεν είναι εξαιρετικά αντιδραστικό σε αρωματικούς δακτυλίους από μόνο του, αλλά όπως είδαμε, η προσθήκη ενός οξέος ενισχύει δραματικά την ηλεκτροφιλικότητα (και τον ρυθμό αντίδρασης).

Το τριοξείδιο του θείου, όπως και το νιτρικό οξύ, «ενεργοποιείται» με την προσθήκη ενός πρωτονίου στο θειικό οξύ. [Σημείωση:αυτό το μείγμα SO3 &H2SO4 είναι γνωστό ως «ατμίζον θειικό οξύ» ή «ολαίο» εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε την παλιά σχολή.] Στη φάση προσδιορισμού του ρυθμού, ο αρωματικός δακτύλιος επιτίθεται σε ένα εξαιρετικά ηλεκτροφιλικό SO3H+ για να παράγει το ενδιάμεσο καρβοκατιόν, δημιουργώντας C-S και σπάζοντας το C-C (pi). Ο δεσμός C-H στη συνέχεια αποπρωτονιώνεται με μια ασθενή βάση, όπως και με άλλες ηλεκτρόφιλες αρωματικές υποκαταστάσεις, για να αναγεννηθεί ο σύνδεσμος C-C pi και να αποκατασταθεί η αρωματικότητα, αποδίδοντας το προϊόν σουλφονικού οξέος. 

Σουλφονίωση βενζολίου 

Η σουλφονίωση του βενζολίου είναι η διαδικασία μετατροπής του βενζολίου σε βενζολοσουλφονικό οξύ με θέρμανση με θειικό οξύ που βράζει (H2SO4 +SO3). Στη φύση, η αντίδραση είναι αναστρέψιμη.

Το τριοξείδιο του θείου και το ατμίζον θειικό οξύ χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βενζολοσουλφονικού οξέος από βενζόλιο. Ένα έντονο διάλυμα διαλυμένου τριοξειδίου του θείου με θειικό οξύ είναι γνωστό ως ατμίζον θειικό οξύ ή ελαιούχο. Επειδή το οξυγόνο είναι σχετικά ηλεκτραρνητικό, τα οξυγόνα στο τριοξείδιο του θείου τραβούν ηλεκτρόνια μακριά από αυτό, καθιστώντας το θείο ηλεκτρόφιλο. Για την παραγωγή βενζολοσουλφονικού οξέος, το βενζόλιο επιτίθεται στο θείο (και συμβαίνουν επιπλέον μεταφορές πρωτονίων).

Η βενζολοσουλφονίωση είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία. Όταν το τριοξείδιο του θείου συνδυάζεται με νερό, παράγεται θειικό οξύ και θερμότητα. Ως αποτέλεσμα, η θέρμανση του βενζολοσουλφονικού οξέος με αραιό υδατικό θειικό οξύ αντιστρέφει τη διαδικασία.

Εφαρμογή σουλφονίωσης 

Τα βενζολοσουλφονικά οξέα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή απορρυπαντικών, χρωστικών και θειικών φαρμάκων. Τα σουλφοναμίδια, τα οποία χρησιμοποιούνται στη χημειοθεραπεία, παρασκευάζονται από βενζολοσουλφονικό χλωρίδιο. Το βενζολοσουλφονικό οξύ χρησιμοποιείται για την τυποποίηση των χρωμάτων και ως όξινος καταλύτης. Οι βασιλίδες ή τα βεσυλικά είναι βενζολοσουλφονικά άλατα που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή μιας σειράς φαρμακευτικών φαρμάκων.

Συμπέρασμα

Εάν συγκρίνετε τις αντιδράσεις, θα παρατηρήσετε ότι το κύριο στοιχείο για την ηλεκτροφιλική αρωματική υποκατάσταση παραμένει το ίδιο εκτός από την ταυτότητα του ηλεκτροφίλου. Ο τρόπος με τον οποίο ενεργοποιείται το ηλεκτρόφιλο, είτε με την όξινη επεξεργασία του Lewis (χλωρίωση, βρωμίωση) είτε με κατάλυση οξέος Bronsted, είναι αυτός που δίνει σε κάθε αντίδραση τη διακριτή γεύση της (νίτρωση, σουλφόνωση).



Στοιχεία Περιοδικού Πίνακα

Ο Dmitri Mendeleev, ένας Ρώσος χημικός που διατύπωσε τον περιοδικό νόμο ως σύνδεσμο μεταξύ χημικών ιδιοτήτων και ατομικής μάζας, σχεδίασε τον πρώτο καλά αναγνωρισμένο περιοδικό χάρτη το 1869. Επειδή δεν ήταν όλα τα στοιχεία γνωστά εκείνη την εποχή, ο Mendeleev Ο περιοδικός πίνακας περιλάμβανε κενά,

Γιατί το υπεριώδες φως χρησιμοποιείται για να σκοτώσει τα μικρόβια;

Με πολλές εγκαταστάσεις όπως κλινικές, εστιατόρια και γραφεία να ακολουθούν πρόσθετα πρωτόκολλα ασφαλείας για την καταπολέμηση του COVID, μπορεί να έχετε δει περισσότερα κουτιά απολύμανσης υπεριώδους (UV) τους τελευταίους μήνες. Ένα κουτί απολύμανσης UV είναι ένα κλειστό κουτί με μια λάμπα UV μέσ

Διαφορά μεταξύ νάιλον και πολυεστέρα

Κύρια διαφορά – Nylon vs Polyester Το νάιλον και ο πολυεστέρας είναι πολυμερή. Ένα πολυμερές είναι ένα μακρομόριο που αποτελείται από μεγάλο αριθμό μονομερών. Τα μονομερή μπορούν να συνδεθούν ομοιοπολικά μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα μόριο πολυμερούς. Οι ιδιότητες ενός πολυμερούς εξαρτώνται κυρ